CN102252829A - 一种测量led的内量子效率和出光效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种测量LED的内量子效率和出光效率的方法，属于光电测试技术领域。本发明提供的方案为：测量LED光功率和光谱随电流变化关系，在外量子效率极值附近通过非线性拟和得到内量子效率数值，并根据公式计算出对应的出光效率，由于出光效率不随注入电流变化，这样就得到了不同注入电流下的出光效率，进一步，利用该出光效率，计算得到不同注入电流下相应的LED的内量子效率。本发明有以下优点：运用常规的测量数据进行分析，方法简单且可操作性强，数据结果可信度高；能够比较方便测量封装或未封装的LED管芯的内量子效率和出光效率，可用于分析芯片结构和封装结构对LED效率的影响；能够测量不同电流下的LED的内量子效率和出光效率。

Description

一种测量LED的内量子效率和出光效率的方法

技术领域

本发明属于光电测试技术领域，具体涉及一种测量LED的内量子效率和出光效率的方法。

背景技术

LED是一种高效率的发光器件，能够将电能高效率地转化为光能。LED发光效率可以用LED的外量子效率(EQE，external quantum efficiency)来表征，即单位时间从LED发射到自由空间中的光子数与单位时间注入到LED的电子数的比值，而LED的外量子效率由两部分决定：(1)LED的内量子效率(IQE，internal quantum efficiency)，即单位时间从LED有源层发出的光子数与单位时间注入到LED的电子数比值。LED的内量子效率主要受LED外延片的生长质量和外延片结构设计影响，是评价LED芯片性能重要指标；(2)LED的出光效率又称作LED的光萃取效率或光提取效率(LEE，light extraction efficiency)，即单位时间从LED发射到自由空间中的光子数与从LED有源层发出的光子数比值。LED的出光效率是评价器件将有源层产生的光，提取到自由空间中的能力的重要指标。用公式表示外量子效率与内量子效率和出光效率的关系为

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}=\frac{P/\mathrm{hv}}{I/e}=\frac{P_{\mathrm{int}}/\left(\mathrm{hv}\right)}{I/e}\×\frac{P/\left(\mathrm{hv}\right)}{P_{\mathrm{int}}/\left(\mathrm{hv}\right)}={\mathrm{\η}}_{\mathrm{IOE}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{LEE}}---\left(1\right)$

其中P是LED的光功率，P_int是LED有源区发光的光功率，I是注入到LED的电流，hv是光子能量，e是单位电荷电量。

现在能够有效确定LED的内量子效率和出光效率的方法还很少。LED的内量子效率一般是通过变温PL方法测量外延片来估计，而出光效率则利用光学追迹的方法计算来评估。但是，变温PL方法不但很麻烦，而且只能测量LED的外延片，不能测量LED芯片的内量子效率；而光学追迹的方法需要设定很多参数且很难与实验数据校准。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量方法，可有效方便地测量LED器件的内量子效率和出光效率。

本发明提供的技术方案如下：

方案1：一种测量LED的内量子效率和出光效率的方法，其特征在于，测量LED光功率P和光谱随电流变化关系，在外量子效率极值附近通过非线性拟和得到内量子效率数值，并根据公式(1)计算出对应的出光效率，由于出光效率不随注入电流变化，为常量，这样就得到了不同注入电流下的出光效率，进一步，利用该出光效率，计算得到不同注入电流下相应的LED的内量子效率，公式1如下：

η_EQE＝η_IQEη_LEE             (1)。

方案2：作为方案1的一种优选方案，其特征在于，包括如下步骤：

1)测量LED在不同注入电流I下的光功率P和峰值波长λ，电流I的范围为从0mA到LED的额定电流；

2)由 ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}=\frac{P/\mathrm{hv}}{I/e}=\frac{P\×\mathrm{\λ}}{1239.8\×I}---\left(2\right)$

计算出LED的外量子效率EQE，得到外量子效率EQE与光功率的平方根

的关系曲线

3)确定不同注入电流下LED外量子效率的最大和与该量子效率对应的光功率值P⁰，若测量范围内未能找到外量子效率极值，则返回步骤1)，扩大测量范围；

4)利用函数 ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}^0\×(\mathrm{\α}+2)}{\mathrm{\α}+(x_0/x+x/x_0)}---\left(3\right)$

对曲线

在EQE极值附近进行非线性拟合，通过多次迭代得到稳定的无量纲参数α；其中，

(A表示SRH非辐射复合系数，B表示辐射复合系数，C表示俄歇复合系数)，

5)内量子效率IQE在外量子效率

曲线极值处的值为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{IQE}}^0=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{inj}}{{\mathrm{Bn}}_0}^2}{{\mathrm{An}}_0+{{\mathrm{Bn}}_0}^2+{{\mathrm{Cn}}_0}^3}=\frac{{n_{\mathrm{inj}}}^{\mathrm{\α}}}{\mathrm{\α}+2}---\left(4\right)$

其中n₀是外量子效率极值对应的载流子密度，η_inj是注入效率。

6)对应于EQE随注入电流变化的极值点，出光效率为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{LEE}}^0=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}^0}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{IQE}}^0}---\left(5\right)$

其中，

在步骤3)已获得，而

也通过拟合参数α得到，在外量子效率极值附近通常认为η_inj＝1(从参考文献1中可以看出，注入效率可以认为等于1)。因此，外量子效率EQE-随电流变化曲线的极值点对应的出光效率为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{LEE}}^0=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}^0}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{IQE}}^0}={\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}^0\×\frac{\mathrm{\α}+2}{\mathrm{\α}}---\left(6\right)$

同时，它也是任意注入电流下的出光效率： ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{LEE}}={\mathrm{\η}}_{\mathrm{LEE}}^0;$

7)任意注入电流下的内量子效率为：

η_IQE＝η_EQE/η_LEE           (7)

据此可得出内量子效率η_IQE随注入电流I的变化曲线。

方案3：作为方案2的一种优选方案，其特征在于，在步骤4)中，其无量纲参数α通过拟合函数

得到，其中P⁰，I⁰分别是外量子效率极值对应的光功率和电流值，

这样，拟合函数中的变量都是实验测量的量，P是光功率，I是电流。

方案4：作为方案2的一种优选方案，其特征在于，所述步骤4)中利用最小二乘法进行非线性拟合。

本发明有以下几个方面的优点：

(1)运用常规的测量数据进行分析，方法简单且可操作性强，评价方法具有充分的LED器件物理基础，数据结果可信度高。

(2)能够比较方便测量封装或未封装的LED管芯的内量子效率和出光效率，可用于分析芯片结构和封装结构对LED效率的影响。

(3)能够测量不同电流下的LED的内量子效率和出光效率。

附图说明

图1是LED外量子效率随光功率平方根曲线

和拟合曲线图

图2是拟合曲线残差分布图

图3是LED出光效率随电流变化图

图4是LED内量子效率随电流变化图

具体实施方式

以下结合附图，通过具体的实施例对本发明所述的LED的内量子效率和出光效率测试方法做进一步描述。

实施例一：普通蓝宝石衬底上的大功率蓝光LED芯片内量子效率和出光效率测量

1.利用光谱辐射计测得LED的光功率P和峰值波长λ随电流I变化的数据，通过计算可得外量子效率随出光效率平方根变化曲线图

如图1中点线所示，测量范围为电流从0到400mA。

2.通过

曲线图，找到外量子效率的最大值点和对应的光功率值(P⁰＝4.11×4.11(mW))。

3.用

公式(3)对

曲线进行拟合，得到无量纲参数α＝7.546(如图1)，拟合结果残差分布图(如图2)。

4.根据拟合结果可得极值点的内量子效率为

则极值点的出光效率为 ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{LEE}}^0=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}^0}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{IQE}}^0}=22.48\%$

5.大功率LED管芯出光效率

(如图3)(此结果与参考文献2，用monte-carlo光线追迹方法计算出的普通LED出光效率一致)；内量子效率由公式(7)可计算，获得随注入电流变化的LED内量子效率变化曲线(如图4)，在工作电流350mA下的内量子效率为66.60％。

实施例二：生长在图形化蓝宝石衬底上的大功率蓝光LED(已封装)内量子效率和出光效率测量

1.利用光谱辐射计测得LED的光功率P和峰值波长λ随电流I变化的数据，通过计算可得外量子效率随出光效率平方根变化曲线图

，测量范围为电流0到400mA。

2.通过

曲线图，找到外量子效率的最大值点

和对应的光功率值(P⁰＝6.82×6.82(mW))。

3.用

公式(3)对

曲线进行拟合，得到无量纲参数α＝8.563。

4.根据拟合结果可得极值点的内量子效率为极值点的出光效率为 ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{LEE}}^0=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}^0}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{IQE}}^0}=72.21\%$

5.大功率图形化衬底LED出光效率

(此结果与参考文献2，用monte-carlo光线追迹方法计算出的生长在PSS上的LED出光效率一致)；内量子效率由公式(7)可计算，获得随注入电流变化的LED内量子效率变化曲线，在工作电流350mA下的内量子效率为69.79％。

参考文献1：

A.Laubsch，M.Sabathil，J.Baur，M.Peter，and B.Hahn，”High-Power and High-efficiencyInGaN-Based Light Emitters，”IEEE Trans.Electron Devices 57，79(2010).

参考文献2：

T.-X.Lee，K.-F.Gao，W.-T.Chien，and C.-C.Sun，“Light extraction analysis of GaN-basedlight-emitting diodes with surface texture and/or pattemed substrate，”Opt.Express，vol.15，no.11，pp.6670一6676，May 2007.

Claims (4)

1.一种测量LED的内量子效率和出光效率的方法，其特征在于，测量LED光功率P和光谱随电流变化关系，在外量子效率极值附近通过非线性拟和得到内量子效率数值，并根据公式(1)计算出对应的出光效率，由于出光效率不随注入电流变化，为常量，这样就得到了不同注入电流下的出光效率，进一步，利用该出光效率，计算得到不同注入电流下相应的LED的内量子效率，公式1如下：

η_EQE＝η_IQEη_LEE           (1)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)测量LED在不同注入电流I下的光功率P和峰值波长λ，电流I的范围为从0mA到LED的额定电流；

2)由 ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}=\frac{P/\mathrm{hv}}{I/e}=\frac{P\×\mathrm{\λ}}{1239.8\×I}$

计算出LED的外量子效率EQE，得到外量子效率EQE与光功率的平方根

的关系曲线

3)确定不同注入电流下LED外量子效率的最大值

和与该量子效率对应的光功率值P⁰，若测量范围内未能找到外量子效率的极值，则返回步骤1)，扩大测量范围；

4)利用函数 ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}^0\×(\mathrm{\α}+2)}{\mathrm{\α}+(x_0/x+x/x_0)}$

对曲线

在EQE极值附近进行非线性拟合，通过多次迭代得到稳定的无量纲参数α；其中，

A表示SRH非辐射复合系数，B表示辐射复合系数，C表示俄歇复合系数，

5)内量子效率IQE在外量子效率

曲线极值处的值为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{IQE}}^0=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{inj}}{{\mathrm{Bn}}_0}^2}{{\mathrm{An}}_0+{{\mathrm{Bn}}_0}^2+{{\mathrm{Cn}}_0}^3}=\frac{{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{inj}}}^{\mathrm{\α}}}{\mathrm{\α}+2}$

其中n₀是外量子效率极值对应的载流子密度，η_inj是注入效率；

6)对应于EQE随注入电流变化的极值点，出光效率为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{LEE}}^0=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}^0}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{IQE}}^0}$

其中，

在步骤3)已获得，

通过拟合参数α得到，因此，外量子效率EQE-随电流变化曲线的极值点对应的出光效率为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{LEE}}^0=\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}^0}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{IQE}}^0}={\mathrm{\η}}_{\mathrm{EQE}}^0\×\frac{\mathrm{\α}+2}{\mathrm{\α}}$

同时，它也是任意注入电流下的出光效率： ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{LEE}}={\mathrm{\η}}_{\mathrm{LEE}}^0;$

7)任意注入电流下的内量子效率为：

η_IQE＝η_EQE/η_LEE    ，

据此可得出内量子效率η_IQE随注入电流I的变化曲线。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤4)中，其无量纲参数α通过拟合函数

得到，其中P⁰，I⁰分别是外量子效率极值对应的光功率和电流值， $x=\sqrt{P},$ $x_0=\sqrt{P^0}.$

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中利用最小二乘法进行非线性拟合。

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